JPS5856810B2 - Omnidirectional detection method and device - Google Patents

Omnidirectional detection method and device

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JPS5856810B2
JPS5856810B2 JP16154980A JP16154980A JPS5856810B2 JP S5856810 B2 JPS5856810 B2 JP S5856810B2 JP 16154980 A JP16154980 A JP 16154980A JP 16154980 A JP16154980 A JP 16154980A JP S5856810 B2 JPS5856810 B2 JP S5856810B2
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JP
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light
medium
opaque sphere
opaque
sphere
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JP16154980A
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JPS5786011A (en
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徳次 岡田
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Agency of Industrial Science and Technology
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Publication date
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Publication of JPS5856810B2 publication Critical patent/JPS5856810B2/en
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C9/00Measuring inclination, e.g. by clinometers, by levels
    • G01C9/10Measuring inclination, e.g. by clinometers, by levels by using rolling bodies, e.g. spheres, cylinders, mercury droplets

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  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、重力や加速度等の作用力方向を検出する方法
とその装置に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a method and apparatus for detecting the direction of acting forces such as gravity and acceleration.

姿勢は、一般にオイラー角(α、β2丁)で表わされる
ことからもわかる通り、3つのパラメータによって表わ
されるが、方向は姿勢よりも1自由度少ない2つのパラ
メータで表わすことができる。
As can be seen from the fact that the attitude is generally expressed by two Euler angles (α, β), it is expressed by three parameters, but the direction can be expressed by two parameters, which has one degree of freedom less than the attitude.

方向検出のための本質的内容であるこの2つのバラメー
クの値を決めるには、これまで機構的に独立した装置に
よってそれぞれのパラメータを個別に決定するという方
法がとられてきた。
In order to determine the values of these two parameters, which are the essential contents for direction detection, a method has been used so far in which each parameter is determined individually using mechanically independent devices.

このため、従来の方法では、(1)全方向の検出が困難
である、(2)機構上の制約から、測定する方法を全般
にわたって高感度に測定することが困難である、(3)
2つのパラメータを検出する装置をそれぞれ個別に設置
しているので、検出器全体の小形化が困難である、(4
)振子の偏位や梁の撓みなどを利用した機械的手段によ
って方向の偏位を検出しているので、精度の向」−を計
ることが難しい、などの欠点があった。
For this reason, with conventional methods, (1) it is difficult to detect in all directions, (2) due to mechanical constraints, it is difficult to measure with high sensitivity in all measurement methods; (3)
Since the devices for detecting the two parameters are installed separately, it is difficult to downsize the entire detector (4).
) Since the directional deviation is detected by mechanical means that utilizes the deviation of the pendulum or the deflection of the beam, it has the disadvantage that it is difficult to measure the direction accurately.

本発明はこのような点に鑑みなされたもので、上述した
従来の欠点を一挙に解決する全方向検出法及び装置を提
供せんとするものである。
The present invention has been made in view of these points, and it is an object of the present invention to provide an omnidirectional detection method and apparatus that solve the above-mentioned conventional drawbacks at once.

本発明を既説すると、光が直線的に進行する透明な媒質
中に設けられ、かつ重力とか加速度の方向に応じて自由
に位置を変える不透明球に光源からの光を照射し、この
不透明球を介して受光面上に像を作らせ、この受光面上
での像の長さと位置とを検出することを特徴とする方法
である。
To explain the present invention, light from a light source is irradiated onto an opaque sphere that is installed in a transparent medium through which light travels linearly and whose position freely changes according to the direction of gravity or acceleration. This method is characterized by forming an image on a light-receiving surface through the light-receiving surface, and detecting the length and position of the image on the light-receiving surface.

像の長さ及び位置情報を得れは、適当なソフトウェア乃
至数式系で所望の解、すなわち方向を求めることができ
る。
Once the length and position information of the image is obtained, a desired solution, ie, direction, can be obtained using appropriate software or a system of mathematical formulas.

また、装置としては、透明な板状媒質中の球状空胴部内
に板状媒質と同一屈折率の液体とともに不透明球を閉じ
込め、不透明球が自由に移動できるように構成されてい
る。
Further, the device is configured such that an opaque sphere is confined in a spherical cavity in a transparent plate-like medium together with a liquid having the same refractive index as the plate-like medium, and the opaque sphere can freely move.

これにより光源からの光が不透明球を介して二次元受光
面上に作る像は不透明球の移動方向の情報をもつものと
なる。
As a result, the image created by the light from the light source on the two-dimensional light-receiving surface through the opaque sphere has information about the moving direction of the opaque sphere.

従って、検出器の小形化が容易になり、また、不透明球
が何物にも邪摩されずに球容器の内部を自由に動くこと
によって全方向の高感度な測定が可能になる。
Therefore, the detector can be easily miniaturized, and since the opaque sphere can freely move inside the sphere container without being interfered with by anything, highly sensitive measurements in all directions are possible.

さらに、光学的手段に拠っているので、検出精度を向−
ヒさせることができる。
Furthermore, since it relies on optical means, it improves detection accuracy.
It can cause a person to die.

以下、実施例に基づいて本発明を説明する。Hereinafter, the present invention will be explained based on Examples.

第1図は、本発明を実施するのに必要な装置の構成図で
ある。
FIG. 1 is a block diagram of the equipment necessary to carry out the present invention.

一様な屈折率を有する透明な板状媒質1は、内部に球容
器2を有する。
A transparent plate-like medium 1 having a uniform refractive index has a spherical container 2 inside.

この容器内には、光を透過しない不透明球3(この中心
をGで表わす)が閉じ込められている。
An opaque sphere 3 (the center of which is denoted by G) that does not transmit light is confined within this container.

また、容器内の空間部には、板状媒質1と同一の屈折率
を有する透明な液状の媒質4が満たされている。
Further, a space inside the container is filled with a transparent liquid medium 4 having the same refractive index as the plate-like medium 1.

このため、不透明球3は球容器2の内部で自由に転がっ
たり移動したりできる(以下単に移動という。
Therefore, the opaque sphere 3 can freely roll and move inside the sphere container 2 (hereinafter simply referred to as movement).

)。しかも、このときの不透明球3の速度は、液状媒質
4の作用で適当な値に設定される。
). Moreover, the speed of the opaque sphere 3 at this time is set to an appropriate value by the action of the liquid medium 4.

このような機構により、不透明球が、たとえはその中心
に重心を有する重錘である場合には、これが重力の影響
を受けて最下位の位置に移動して平衡状態となる。
With this mechanism, if the opaque sphere is, for example, a weight having its center of gravity at its center, it will move to the lowest position under the influence of gravity and become in an equilibrium state.

球容器2には、その中心を通り板状媒質1の板面に垂直
な線上の点光源から発した光が照射されるので、不透明
球3にさえぎられない光が点光源りと球容器2の中心O
を結ぶ線上に中心をもち、この線に垂直な面内に受光素
子を高密度に実施した二次元受光面乃至エリアセンサS
に入力される。
The spherical container 2 is irradiated with light emitted from a point light source on a line that passes through its center and is perpendicular to the plate surface of the plate-like medium 1. Therefore, the light that is not blocked by the opaque sphere 3 reaches the spherical container 2 as a point light source. center O
A two-dimensional light-receiving surface or area sensor S whose center is on a line connecting the
is input.

ここで光の進行方向は、板状媒質1、液体媒質4および
板状媒質1を囲む媒質5の屈折率の違いによって変化す
るが、媒質1と4は同一の屈折率である場合を考慮して
いるので、板状媒質1中では光は直進する。
Here, the traveling direction of the light changes depending on the difference in the refractive index of the plate-like medium 1, the liquid medium 4, and the medium 5 surrounding the plate-like medium 1, but considering the case where the media 1 and 4 have the same refractive index. Therefore, light travels straight in the plate-like medium 1.

したがって、点光源りから発射する光の進路は第1図の
ように表わされ、不透明球3の輪郭を投影する偉がS上
に作られる。
Therefore, the path of the light emitted from the point light source is expressed as shown in FIG. 1, and a groove is created on S that projects the outline of the opaque sphere 3.

この像は、一般に楕円となり、その外側は明るく、その
内側は暗くなる。
This image is generally an ellipse, with light on the outside and dark on the inside.

このようにしてできる楕円において、本発明は受光面S
の中心O′から楕円体までの最大距離Rdと最小距離R
ssおよびこれらを検出する受光面上のいずれか一方の
像位置(Rdxo 、 Rdzo )のデータを用いて
、不透明球3の存在方向を検出するものである。
In the ellipse created in this way, the present invention has a light-receiving surface S
The maximum distance Rd and the minimum distance R from the center O' to the ellipsoid
The direction in which the opaque sphere 3 exists is detected using data on the image position (Rdxo, Rdzo) on the light receiving surface of either one of ss and the light receiving surface that detects these.

なお、最小距離となる像位置は最大距離Rdを測る方向
とは正反対方向にあることが明らかで最大距離点、受光
面上の中心位置O′最小距離点の3点は一直線上に並び
、これらの距離の和は楕円の長軸の長さに等しい。
It is clear that the image position at the minimum distance is in the opposite direction to the direction in which the maximum distance Rd is measured, and the three points, the maximum distance point, the center position O' on the light receiving surface, and the minimum distance point are lined up in a straight line. The sum of the distances is equal to the length of the major axis of the ellipse.

では、どうして全方向の検出が可能になるかについて以
下に説明する。
The reason why detection in all directions is possible will be explained below.

まず、幾何学的な解析を進める上に必要な座標系として
、第2図すに示したように、点光源りから球容器2の中
心Oを望む方向をY軸、球容器2の中心Oと不透明球3
の中心Gとを結んでできる線とY軸を含む面が、点Oを
通ってY軸に垂直な面と交わってできる方向をX軸とす
る(点Oから不透明球の中心を望む方向に近い方向をモ
方向とする)。
First, as a coordinate system necessary for proceeding with the geometric analysis, as shown in Figure 2, the direction from which the center O of the spherical container 2 is viewed from the point light source is the Y axis, and the center O of the spherical container 2 is and opaque sphere 3
The direction created by the line created by connecting the center G of (The closest direction is the Mo direction).

また、光学系に関する座標軸として、第2図aに示した
ようにY軸にともに直交するX。
Further, as a coordinate axis related to the optical system, as shown in FIG. 2a, X is perpendicular to the Y axis.

軸とZ。Axis and Z.

軸の2直交軸を定める。そして、点Oから不透明球3の
中心Gを望む方向が、Y軸およびX。
Determine the two orthogonal axes of the axis. The direction in which the center G of the opaque sphere 3 is viewed from the point O is the Y axis and the X direction.

軸から偏位している角をそれぞれα、β、とし、この2
つのバラメークを用いて不透明球3の存在方向を表わす
ものとする。
Let the angles deviating from the axis be α and β, respectively, and these 2
It is assumed that the direction in which the opaque sphere 3 exists is expressed using two rosettes.

さて、装置から入力されるRd、Rsおよび像位置(R
dxo 、 Rdzo )の3つのデータを用いてα、
βの値がどのように定まるかについて解析する。
Now, Rd, Rs and image position (R
α, using the three data (dxo, Rdzo)
Let's analyze how the value of β is determined.

第2図において、受光面上の位置(Rdxo。Rdzo
)を照射する光が板状媒質1および媒質4中を通過す
る光路ちを具体的に示すと、第3図のように表わすこと
ができる。
In Fig. 2, the position on the light receiving surface (Rdxo, Rdzo
) The optical path that the light passing through the plate-like medium 1 and the medium 4 can be specifically shown as shown in FIG.

ただし、n14は板状媒質1および液体媒質4の絶対屈
折率、n5は周囲媒質5の絶対屈折率を表わす。
However, n14 represents the absolute refractive index of the plate-like medium 1 and the liquid medium 4, and n5 represents the absolute refractive index of the surrounding medium 5.

また、ρ1とρ。は光が周囲媒質5から板状媒質1へ進
入する場合の入射角と屈折角、ρ1とρtは板状媒質1
から周囲媒質5へ進入する場合の入射角と屈折角をそれ
ぞれ表わす。
Also, ρ1 and ρ. are the incident angle and refraction angle when light enters the plate-like medium 1 from the surrounding medium 5, and ρ1 and ρt are the plate-like medium 1
The angle of incidence and angle of refraction when entering the surrounding medium 5 from

こうしたとき、次の関係式が取立する。ここで媒質1は
板状であることから となる。
In such a case, the following relational expression holds. This is because the medium 1 is plate-shaped here.

また、 スネルの法則により となる。Also, According to Snell's law becomes.

この(4)式より を求めることができ、(3) 、 (5)式を(1)式
に代入して次式が得られる。
This can be obtained from equation (4), and by substituting equations (3) and (5) into equation (1), the following equation can be obtained.

(6)式の両辺を2乗して整理すると次式が得られる。By squaring both sides of equation (6) and rearranging, the following equation is obtained.

C1tan4ρ1+C2ta113ρ1+C3tan2
ρi上記(7)式は、tanρ1を未知数とした4次の
代数方程式であり、投影像までの最大距離Rdあるいは
最小距離Rsを測定すれば、この式を用いて不透明球に
接する光線が透明な板状媒質1に進入するさいの入射角
ρiの値を算出し、いくつかの解の候補の中から次の制
限条件を満足するものを入射角ρiの最終解として定め
ることが可能である。
C1tan4ρ1+C2ta113ρ1+C3tan2
ρi Equation (7) above is a fourth-order algebraic equation with tanρ1 as an unknown, and if the maximum distance Rd or minimum distance Rs to the projected image is measured, using this equation, it can be determined that the rays touching the opaque sphere are transparent. It is possible to calculate the value of the incident angle ρi upon entering the plate-shaped medium 1, and to determine, from among several solution candidates, one that satisfies the following limiting conditions as the final solution for the incident angle ρi.

ただし、R2く2R3,R5くn14が成立するものと
する。
However, it is assumed that R2 x 2R3 and R5 x n14 hold true.

ρiの上限と下限はそれぞれ、ρ。The upper and lower limits of ρi are respectively ρ.

−0,ρ1ρ。−0, ρ1ρ.

を想定したときに定まる値である。板状媒質1への入射
角ρ1が定まると、第2図中で不透明球3に接する光線
lの傾きα(正を採用)が次のように定められる。
This value is determined assuming that When the angle of incidence ρ1 on the plate-like medium 1 is determined, the inclination α (positive is adopted) of the ray l of the light ray that touches the opaque sphere 3 in FIG. 2 is determined as follows.

また、直線lは点((W、−W3)tanρ1l−W3
)を通るので次式のように表わされる。
Also, the straight line l is the point ((W, -W3)tanρ1l-W3
), it can be expressed as the following equation.

Y−αX−α(W、−W3)tanρ1−w3 ++・
(10)直線Zに接する不透明球3の中心Gは、直線
2を上方にbだけ平行移動した直線m上にある。
Y-αX-α(W, -W3) tanρ1-w3 ++・
(10) The center G of the opaque sphere 3, which is in contact with the straight line Z, is on the straight line m, which is translated upward from the straight line 2 by b.

ただし、bは次のように表わされる。However, b is expressed as follows.

つまり、次式で表わされる直線上にある。In other words, it lies on the straight line expressed by the following equation.

また、不透明球3は、平衡状態においては球容器内壁に
接するので、その中心Gは次のように表わされる半径(
R2R3)の田土にもある。
In addition, since the opaque sphere 3 is in contact with the inner wall of the spherical container in an equilibrium state, its center G has a radius (
There is also Tadochi in R2R3).

したがって、不透明球3の中心Gの位置は直線と円の交
点として(12)式と(13)式を連立させることによ
って求められる。
Therefore, the position of the center G of the opaque sphere 3 can be found by combining equations (12) and (13) as the intersection of the straight line and the circle.

つまり、(12)式のYを03)式に代入して得られる
次の2次方程式を解いてXl + X2(x s >
X2 )が求まり、その結果を02)式に代入してyl
、y2が求まる。
In other words, by substituting Y in equation (12) into equation 03) and solving the following quadratic equation, we obtain Xl + X2(x s >
X2) is determined, and the result is substituted into formula 02) to obtain yl
, y2 are found.

(14)式において、Xが重板となる場合にはその解(
XI + :!l’l )を次式に代入してパラメータ
α、βの値が直ちに求められる。
In equation (14), if X has multiple plates, the solution (
XI+:! l'l ) into the following equation, the values of parameters α and β can be immediately obtained.

しかし、前記直線mと円は一般には第2図に示したよう
に2点G1.G2で交わり、(X、Y、)+(x2+y
2)の2組の解が存在する( xl> x2)。
However, as shown in FIG. 2, the straight line m and the circle are generally connected to two points G1. Intersect at G2, (X, Y,) + (x2 + y
There are two sets of solutions for 2) (xl>x2).

そこで、投影像までの最小距離の情報Rsを使ってその
いずれを採用すべきかを決定する。
Therefore, information Rs about the minimum distance to the projected image is used to determine which one should be adopted.

つまり、(7)式において、Rdの代わりにRsを用い
て不透明球3のもう一方の側に接する光線が板状媒質1
に進入する入射角を算出し、吟味する。
In other words, in equation (7), using Rs instead of Rd, the light rays touching the other side of the opaque sphere 3 are
Calculate and examine the angle of incidence.

そして、その結果を使って板状媒質1および液体媒質4
中の光路を表わす直線Kを定める。
Then, using the results, the plate-like medium 1 and the liquid medium 4 are
A straight line K representing the optical path inside is determined.

この直線とさきに求めた2点G1.G2との距離がR3
に最も近い値となる方を求めるべき唯一の解とする。
This straight line and the two points G1. The distance from G2 is R3
The one that gives the closest value to is the only solution to be found.

このようにして、(12) 、 (13)式を満足する
解が2つ存在する場合でも、その中から真に必要なもの
を描出でき、その結果を(1,51、(16)式に適用
して方向を表わすパラメータα、βの値を求めることが
できる。
In this way, even if there are two solutions that satisfy equations (12) and (13), the truly necessary one can be drawn out of them, and the results can be used in equations (1, 51, and (16)). By applying this, the values of parameters α and β representing direction can be obtained.

なお、X2が負である場合には、R5による解の吟味は
不要であり1. (XI + Yl)が唯一の解として
定ま**ることは明らかである。
Note that if X2 is negative, there is no need to examine the solution using R5, and 1. It is clear that (XI + Yl) is determined as the only solution.

以上の解析の結果、次表に示した手続をもとにして、全
方向を表わすパラメータαとβの値は自動的に定まる。
As a result of the above analysis, the values of parameters α and β representing all directions are automatically determined based on the procedure shown in the following table.

球審器2および不透明球3の半径R2,R3の大小関係
によっては、点光源りと球審器中心を結ぶ線が交わる受
光面上の点0′は、必ずしも投影像の内部に含まれると
は限らない。
Depending on the size relationship of the radii R2 and R3 of the ball control device 2 and the opaque sphere 3, the point 0' on the light receiving surface where the line connecting the point light source and the center of the ball control device intersects may not necessarily be included inside the projected image. do not have.

しかし、解析で示したように、O′が投影像の内部にあ
ることにより方向を決定するための手続きは簡単になる
However, as shown in the analysis, the fact that O' is inside the projection image simplifies the procedure for determining the orientation.

これを実現するには、R3くR2く2R3を満たすよう
に各半径を定めることである。
To achieve this, each radius must be determined to satisfy R3 x R2 x 2R3.

二次元の受光面は、固体撮像素子、あるいはフォトダイ
オードアレイによるエリアセンサによって横取でき、そ
の出力をマイクロコンなどによって処理してRdRs
、 (Rdxo、Rdzo )のデータを入力し、方向
を表わすパラメータα、βの値を自動的に定めることが
可能である。
The two-dimensional light-receiving surface can be intercepted by an area sensor using a solid-state image sensor or a photodiode array, and the output is processed by a microcontroller etc. to generate RdRs.
, (Rdxo, Rdzo), it is possible to automatically determine the values of parameters α and β representing the direction.

さらに、板状媒質1と受光面Sとの中間に周囲媒質5よ
りも大きな屈折率を有する媒質でできた凸レンズを置く
ことにより、不透明球の輪郭を投影する光の広がりを抑
制し、受光面領域の縮小化を計ることができる。
Furthermore, by placing a convex lens made of a medium with a larger refractive index than the surrounding medium 5 between the plate-like medium 1 and the light-receiving surface S, the spread of the light that projects the outline of the opaque sphere is suppressed, and the light-receiving surface It is possible to reduce the area.

この場合の光路は第4図で表わされる。The optical path in this case is shown in FIG.

点光源りの実像を作る光線は近軸光線であるので、板状
媒質1を通してレンズ側に到達する光は、実際の点光源
りから次式で表わされる距離W7だけ浮き上がった見か
け上の点光源L′から発射しているようにみなされる。
Since the light ray that creates the real image of a point light source is a paraxial ray, the light that reaches the lens side through the plate-like medium 1 is an apparent point light source that is lifted from the actual point light source by a distance W7 expressed by the following formula. It is considered that the light is being emitted from L'.

したがって、レンズ6の焦点距離をFとしたとき、レン
ズ中心位置から実像L′までの距離W7は次式によって
定められる。
Therefore, when the focal length of the lens 6 is F, the distance W7 from the lens center position to the real image L' is determined by the following equation.

また、不透明球3に接する光線が通過するレンズ上の点
とレンズの中心を結ぶ距離をHルンズを通過してできる
受光面上の最大投影長Rd’としたとき、次の関係が成
立する。
Further, when the distance between the point on the lens through which the light ray touching the opaque sphere 3 passes and the center of the lens is defined as the maximum projection length Rd' on the light-receiving surface formed by passing through the H-lens, the following relationship holds true.

(18) 、 (19) 、 (20)式において、H
2W3を消去すると、レンズによる投影長の縮小率μが
、次のように表わされる。
In equations (18), (19), and (20), H
When 2W3 is eliminated, the reduction rate μ of the projected length by the lens is expressed as follows.

この式から、縮小率は不透明球3の位置や光路に関係な
く、レンズの位置や焦点距離によって一意的に定まるこ
とが明らかである。
From this equation, it is clear that the reduction ratio is uniquely determined by the position and focal length of the lens, regardless of the position of the opaque sphere 3 or the optical path.

したがって、レンズを用いて不透明球3の投影像を縮小
する場合の全方向の検出においては、受光面から実際に
検出される投影長のデータを、単純に1/μ倍した値を
本文中に述べたRd 、Rsとして採用すれはよいこと
になる。
Therefore, in omnidirectional detection when reducing the projected image of the opaque sphere 3 using a lens, the data of the projection length actually detected from the light receiving surface is simply multiplied by 1/μ. It would be a good idea to adopt the above-mentioned Rd and Rs.

βの値を定めるために(■6)式で使うRdxoやRd
zoの値については、レンズを使用する、しないに関係
なく、投影像までの距離が最大となる点の位置データを
そのまま採用することができる。
Rdxo and Rd used in equation (■6) to determine the value of β
Regarding the value of zo, regardless of whether a lens is used or not, the position data of the point at which the distance to the projected image is the maximum can be used as is.

以上の説明では、全方向を検出するための手続として、
前半で投影像までの最大距離Rdを、後半でその最小距
離Rsを利用する方法を取り挙げたが、これとは逆に前
半でRsを、後半でRdを利用する手続も同様にして考
えられる。
In the above explanation, as a procedure for detecting all directions,
In the first half, we have discussed a method of using the maximum distance Rd to the projected image, and in the second half, the minimum distance Rs, but conversely, a similar procedure can be considered in which Rs is used in the first half and Rd is used in the second half. .

この場合は、投影像までの距離が最小値Rsとなる像位
置がパラメータβを決定するのに有効となることは明ら
かなことである。
In this case, it is clear that the image position where the distance to the projected image is the minimum value Rs is effective for determining the parameter β.

点光源りは必ずしも板状媒質1の外部にある必要はなく
、媒質1中や媒質1の板面に密着させて置くこともでき
る。
The point light source does not necessarily have to be placed outside the plate-like medium 1, but can also be placed inside the medium 1 or in close contact with the plate surface of the medium 1.

この場合には、Wl−W3とすることにより、これまで
の考察がそのまま有効となる。
In this case, by setting Wl-W3, the previous considerations remain valid.

さらに、周囲媒質5の屈折率が媒質1や4のそれと同一
である場合(R5−n14)には、板状媒質1は球容器
2のみで置き代えられる。
Furthermore, when the refractive index of the surrounding medium 5 is the same as that of the mediums 1 and 4 (R5-n14), the plate-like medium 1 is replaced only by the spherical container 2.

この場合、点光源から発射して不透明球に接し、受光面
に到達する光路は直線となり、入射角ρ、を算出する(
7)式はtanpiを未知数とした一次方程式になるの
でρiの値が一意的に定まり、パラメータα、βの値を
決定する手続も一段と簡略化される。
In this case, the light path emitted from the point light source, touching the opaque sphere, and reaching the light receiving surface is a straight line, and the incident angle ρ is calculated (
Since equation 7) is a linear equation with tanpi as an unknown, the value of ρi is uniquely determined, and the procedure for determining the values of parameters α and β is further simplified.

点光源から発する光は、球容器全体を照射することによ
って任意の方向にある不透明球の投影像を作るが、必ず
しも球容器全体を照射する必要はない。
Light emitted from a point light source creates a projected image of an opaque sphere in any direction by irradiating the entire spherical container, but it is not necessarily necessary to irradiate the entire spherical container.

この理由は不透明球の外側を媒質1と同じ屈折率を有す
る透明な媒質で被うことによって、実質的に有効な入射
角ρiの使用範囲を特定の値以下に制限することが可能
であるからである。
The reason for this is that by covering the outside of the opaque sphere with a transparent medium that has the same refractive index as medium 1, it is possible to limit the usable range of the effective incident angle ρi to below a specific value. It is.

こうした場合には、点光源りを球容器中心Oとを結ぶ直
線から離れた球審器部は、光の通路としては重要でなく
なるので透明であったり、液体媒質4と同一の屈折率で
あったりする必要がなく、この部分を接着個所として利
用し、板状媒質1や球容器2を容易に製作することがで
きる。
In such a case, the part of the ball holder away from the straight line connecting the point light source with the center O of the ball container is not important as a path for light, so it may be transparent or have the same refractive index as the liquid medium 4. There is no need to do so, and the plate-like medium 1 and the spherical container 2 can be easily manufactured by using this part as a bonding point.

なお、本発明を実施するに際しては、板状媒質1および
球審器内の液体媒質4は、いずれも透明で屈折率が等し
いことを必要とするが、このような媒質としては、たと
えばガラスとツエデル(セダー)油などを挙げることが
できる。
In carrying out the present invention, it is necessary that the plate-like medium 1 and the liquid medium 4 in the ball umpire are both transparent and have the same refractive index. Examples of such a medium include glass and tweed. (cedar) oil, etc.

本発明は、方向検出のための装置を球容器内に収納し、
その中で不透明球が自由に移動できるようにしているの
で全方向の検出を可能にし、しかも方向を表わす2つの
パラメータを常に最大の感度で測定し、装置全体を小形
にするという実用上の効果を有する。
The present invention houses a device for direction detection in a spherical container,
The opaque sphere is allowed to move freely within it, making it possible to detect in all directions.Moreover, it has the practical effect of always measuring the two parameters representing direction with maximum sensitivity, and making the entire device more compact. has.

さらには、光学的手段によって方向検出に必要な情報を
得ているので、検出感度を高めるという効果をも有する
Furthermore, since the information necessary for direction detection is obtained by optical means, it also has the effect of increasing detection sensitivity.

本発明の用途は、不透明球を移動させる要因の違いによ
て種々のものが考えられるが、重力方向の検出をその代
表例として挙げることができる。
The present invention can be used in various ways depending on the factors that cause the opaque sphere to move, and detection of the direction of gravity can be cited as a representative example.

つまり、不透明球がその中心に重心をもつ重錘となるよ
うにしたとき、不透明球は球審器内壁を転がり、重力方
向を指して静止するので重力方向の検出が可能である。
In other words, when the opaque ball is made to act as a weight with its center of gravity at its center, the opaque ball rolls on the inner wall of the ball umpire and comes to rest pointing in the direction of gravity, making it possible to detect the direction of gravity.

要するに、本発明は不透明な球を透明な球審器の中に入
れ、球審器に向って点光源から放射する光を照射し、点
光源と球容器中心を結ぶ線に垂直な受光面で球容器内を
自由に移動する不透明球の投影像を捕え、点光源と球容
器中心を結ぶ線上あする受光面の中心位置から像までの
最大距離と最小距離、およびこれらを検出したいずれか
一方の像位置、の3つのデータをもとにして方向を表わ
す2つのパラメータを一定の手続によって決定するもの
であり、不透明球として重心がその中心にある重錘を採
用することによって重力方向あるいは運動の加速度方向
を検出するものである。
In short, the present invention places an opaque ball inside a transparent pitcher, irradiates the ball with light emitted from a point light source toward the pitcher, and uses the light-receiving surface perpendicular to the line connecting the point light source and the center of the ball container to Capture the projected image of an opaque sphere that moves freely within the sphere, and determine the maximum and minimum distances from the center position of the light-receiving surface to the image on the line connecting the point light source and the center of the spherical container, and the image of either of these detected. The two parameters representing the direction are determined by a certain procedure based on the three data of position, and by using a weight as an opaque sphere whose center of gravity is at the center, the direction of gravity or the acceleration of movement can be determined. It detects direction.

ロボットの手足の制御においては、位置の他に方向を制
御することが非常に重要な内容となっている。
When controlling a robot's limbs, controlling not only the position but also the direction is very important.

ところが、現在、ロボットの手足などの方向を検出する
のに適したセンサがなく、各関節の制御量を使った複雑
な行列計算によって方向を感覚している。
However, there are currently no sensors suitable for detecting the direction of a robot's limbs, and the robot senses direction through complex matrix calculations using the control amount of each joint.

この方法では、計算機に大きな負担をかけ、高精度で高
速な手足の制御は望めない。
This method places a heavy burden on the computer and cannot be used to control limbs with high precision and speed.

本発明は、この問題を解決するものとして、小形で性能
のよい全方向の検出法を提供するものである。
The present invention solves this problem by providing a compact, high-performance omnidirectional detection method.

とくに、倒立振子や歩行の制御においては、振動、揺動
、転倒などを防止するばかりでなく、動的に安定な制御
を実現する上に大きな効果を表わすものと考えられ、実
用的見地から効果の非常に大きい有用なものである。
In particular, in the control of inverted pendulums and walking, it is thought to be highly effective not only in preventing vibration, rocking, and falling, but also in realizing dynamically stable control, and is effective from a practical standpoint. It's a very big useful thing.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明を実施する装置の構成例、第2図は投影
像を得るための光学系で、aは受光面内の像の図、bは
受光面に垂直で球審器と不透明球の中心を含む面内の光
路図、第3図は幾何学的光路図、第4図はレンズを使用
して受光面領域の縮小化を計る場合の光路図をそれぞれ
示す。 図中、1は透明な板状媒質、2は板状媒質1内の球審器
、3は不透明球、4は球審器2内の空間を充填する透明
な液体、5は板状媒質1の周囲の媒質、6は凸レンズ、
α、βは球の塊りが移動する方向を示すパラメータ、G
は不透明球3の中心でもあり重心でもある位置、G7.
G2は半径(R2゜R3)の円と直線mとの交点、Hは
不透明球に接する光線が通過するレンズ上の位置とレン
ズ中心とを結ぶ距離、Lは点光源、L′は板状媒質1を
通してみたみかけ上の点光源、L“はレンズによる点光
源L′の実像、Oは球審器の中心、O′は受光面中心、
Plは点光源りから発射した光が媒質1に入射するまで
に偏位する量のX軸成分、R2は媒質1中を光が通過す
るさいのX軸に関した偏位置、P3は媒質1から受光面
Sに光が到達するまでに偏位する量のX軸成分、Sは受
光面、R2は球審器2の内壁の半径、R3は不透明球3
の半径、Rdは受光面Sの中心O′から投影像までの最
大距離、Rd′はレンズを使った場合に受光面S上にで
きる像の最大距離、Rsは最大距離Rsを検出する受光
素子位置とは正反対方向にある像までの距離、Rdxo
はRdのX。 軸成分、Rd zoはRdのZ。 軸成分、Zは受光面上の位置(Rdxo +Rdzo)
を照射する板状媒質1内の光路、mは不透明球3の中心
位置の移動軌跡を表わす直線、kは最小距離となる像位
置を照射する板状媒質1内の光路、ρiとρ。 は光が媒質5から媒質1に進入する場合の入射角と屈折
角ρ1′と0gは光が媒質1から媒質5に進入する場合
の入射角と屈折角、n14は媒質1および4の線対屈折
率n5は媒質5の絶対屈折率、Wlは点Oと点光源り間
の距離、W2は点Oと点07間の距離、W3は媒質1へ
の光の入射面と点0間の距離、W4は媒質1から光が出
射する面と点0間の距離、W5は点Oからレンズ面まで
の距離、W3は点光源の結像位置L“からレンズ面まで
の距離、W7はレンズ側から点光源をみた場合のみかけ
上の点光源と実際の点光源との間の距離、(X、Y)は
解析に必要な直角座標系、(Xo、Zo)は受光面に固
有な直角座標系をそれぞれ表わす。
Fig. 1 shows an example of the configuration of an apparatus for carrying out the present invention, and Fig. 2 shows an optical system for obtaining a projected image, where a is a diagram of the image within the light-receiving surface, and b is a diagram perpendicular to the light-receiving surface, showing the pitcher and the opaque sphere. 3 is a geometrical optical path diagram, and FIG. 4 is an optical path diagram in a case where a lens is used to reduce the light-receiving surface area. In the figure, 1 is a transparent plate-shaped medium, 2 is a pitcher inside the plate-shaped medium 1, 3 is an opaque sphere, 4 is a transparent liquid filling the space inside the pitcher 2, and 5 is the periphery of the plate-shaped medium 1. medium, 6 is a convex lens,
α, β are parameters indicating the direction in which the ball mass moves, G
is the center and center of gravity of the opaque sphere 3, G7.
G2 is the intersection of the circle with radius (R2°R3) and the straight line m, H is the distance connecting the lens center and the position on the lens through which the rays touching the opaque sphere pass, L is the point light source, and L' is the plate-like medium 1 is the apparent point light source seen through 1, L" is the real image of the point light source L' by the lens, O is the center of the pitcher, O' is the center of the light receiving surface,
Pl is the X-axis component of the deviation of the light emitted from the point light source before it enters the medium 1, R2 is the deviation position with respect to the X-axis when the light passes through the medium 1, and P3 is the deviation from the medium 1. The X-axis component of the amount of deviation of the light until it reaches the light-receiving surface S, S is the light-receiving surface, R2 is the radius of the inner wall of the ball umpire 2, and R3 is the opaque sphere 3
Rd is the maximum distance from the center O' of the light-receiving surface S to the projected image, Rd' is the maximum distance of the image formed on the light-receiving surface S when a lens is used, and Rs is the light-receiving element that detects the maximum distance Rs. The distance to the image in the opposite direction to the position, Rdxo
is the X of Rd. The axis component, Rd zo is the Z of Rd. Axis component, Z is the position on the light receiving surface (Rdxo + Rdzo)
m is the straight line representing the locus of movement of the center position of the opaque sphere 3, k is the optical path within the plate-like medium 1 that illuminates the minimum distance image position, ρi and ρ. are the incident angle and refraction angle when light enters medium 1 from medium 5, ρ1' and 0g are the incidence angle and refraction angle when light enters medium 5 from medium 1, and n14 is the line pair of media 1 and 4. The refractive index n5 is the absolute refractive index of medium 5, Wl is the distance between point O and the point light source, W2 is the distance between point O and point 07, and W3 is the distance between the plane of incidence of light into medium 1 and point 0. , W4 is the distance between the surface from which light emerges from medium 1 and point 0, W5 is the distance from point O to the lens surface, W3 is the distance from the point light source imaging position L" to the lens surface, and W7 is the lens side. The distance between the apparent point light source and the actual point light source when looking at the point light source from Each represents a system.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 作用力の方向に応じて移動する不透明球を透明な球
状空胴内に閉じ込め、少なくとも上記不透明球に光源か
らの光を照射し、上記不透明球を介して二次元受光面上
に作られる偉の長さと位置とを検出することにより、上
記不透明球の移動方向を検出することを特徴とする全方
向の検出方法。 2 球状の空胴部を有する透明な板状媒質と、上記球状
の空胴部内に有し板状媒質と同一屈折率の透明な液体と
、上記球状の空胴部内に上記液体とともに有する不透明
球と、少なくとも上記不透明球に光を照射するための光
源と、上記不透明球の像を作るための二次元受光面と、
この二次元受光面に設けられ上記像の長さと位置とを検
出するための光電変換検出手段とからなり、上記不透明
球の移動方向を検出することを特徴とする全方向の検出
装置。 3 特許請求の範囲第2項に記載の全方向の検出装置に
おいて、不透明球として重心位置がその中心にある重錘
を採用し、重力方向若しくは加速度方向を検出すること
を特徴とする装置。
[Claims] 1. An opaque sphere that moves according to the direction of the acting force is confined in a transparent spherical cavity, and at least the opaque sphere is irradiated with light from a light source, and two-dimensional light is received through the opaque sphere. An omnidirectional detection method characterized in that the moving direction of the opaque sphere is detected by detecting the length and position of a groove formed on a surface. 2. A transparent plate-like medium having a spherical cavity, a transparent liquid having the same refractive index as the plate-like medium within the spherical cavity, and an opaque sphere containing the liquid within the spherical cavity. and a light source for irradiating at least the opaque sphere with light, and a two-dimensional light-receiving surface for creating an image of the opaque sphere;
An omnidirectional detection device comprising photoelectric conversion detection means provided on the two-dimensional light receiving surface for detecting the length and position of the image, and detecting the moving direction of the opaque sphere. 3. The omnidirectional detection device according to claim 2, which employs a weight whose center of gravity is at the center as an opaque sphere, and detects the direction of gravity or the direction of acceleration.
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